[发明专利]一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法

说明书

本发明公开了一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法，包括以下步骤：建立包含组件盒内与盒间的堆芯几何模型，建模时采用六棱柱表示组件盒内；针对堆芯几何模型下端面建立平面拓扑结构，生成全四边形的面网格，其中组件盒内近壁面区域应生成边界层网格；轴向拉伸面网格，形成三维结构化网格模型。将三维网格模型导入CFD求解器，计算盒内网格控制体中心点距壁面的距离，进而判定控制体的属性(纯流体或多孔介质域)。基于棒束结构特征引入分布阻力模型和传质传热模型，并修正纯流体域与多孔介质域相界面处的动量输运。本发明能实现快堆棒束组件的流动传热现象的快速模拟，准确预测组件盒内与盒间的温度分布与传热，有益于全堆芯模拟。

技术领域

本发明涉及快中子反应堆堆芯热工水力设计领域，特别涉及计算快堆堆芯尺度的模拟方法。

背景技术

不同于通常运行的压水堆，快堆通过快中子俘获将可裂变核素U238和Th232分别转换成易裂变核素Pu239和U233，从而在链式反应中实现易裂变核素的增殖，因此快堆又被称为增殖堆。为了提高燃料体积份额降低中子泄漏，从而降低快堆中易裂变燃料比投料量，快堆堆芯设计采用了三角形燃料栅格或六角形栅格。顺应这种栅格的布置，快堆采用六角形不锈钢套管将堆芯分割成若干区域，不锈钢套管及内部燃料棒束构成一个相对独立单元(组件)。相邻六角形套管间存在窄的间隙，其内部充满液态金属冷却剂。六角形套管侧壁面封闭，因此在组件径向只有热量交换而无质量、动量的交换。

组件内部以三角形或者六角形栅格形式排布多根燃料元件(通常多于37根)，相邻燃料棒之间由按照一定螺距缠绕的金属绕丝固定。由于组件内近壁面区域为绕丝与平面壁面接触，因此组件内近壁面区域孔隙率略大于中心区域。组件内近壁面区域的变动使近壁面区域的输运特性异于中心区域，即所谓的槽道效应。此外组件内燃料棒束裂变或衰变释热，组件内流场局部热不平衡现象显著，这一事实对组件内径向温度场影响较大。金属绕丝的存在，促使组件内流场一螺距为特征长度在轴向方向周期性变化。以上三方面问题使得对快堆组件的模拟不能简单的采用传统的多孔介质模型。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对现有技术不足，提供一种快堆棒束组件的多孔介质模拟方法，解决了采用传统多孔介质模拟严重失真的问题，充分利用已有CFD平台的二次开发便利、稳健的数值求解算法及大规模并行能力，为实现快堆全堆芯尺度的流动换热特性研究提供了一种现实可行的技术方案。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种针对快堆棒束组件耦合传热模型的多孔介质模拟方法，包括如下步骤：

步骤1：建立不含实际棒束的堆芯组件几何模型，几何模型包含有厚度的组件盒壁面和盒间间隙；

步骤2：使用结构化六面体网格刻画步骤1中建立的几何模型，具体分为以下步骤：

步骤2-1：在几何模型的某一端面创建多个二维的方形块拓扑结构填充求解的几何域，其中组件盒内近壁面区域保留一层平行于组件盒壁面的、高度为H_W的一层方形块；

式中：D_Pitch——六边形组件内对边距/m，N——组件内棒束数量/根，P——燃料棒间节距/m；

步骤2-2：设置拓扑结构上节点数目及分布，生成二维面网格；

步骤2-3：拉伸步骤2-2中获得的二维面网格，获得三维结构化六面体网格；

步骤3：将三维结构化六面体网格导入到CFD求解器中，选用湍流模型；借助求解器用户自定义函数，计算组件盒内控制体中心点距组件盒内壁面距离；当组件盒内控制体中心点距组件盒内壁面距离超过给定高度，标定为多孔介质域，否则标记为纯流体域；